Regulation of beta-cell homeostasis by DNA methylation and hydroxymethylation.

通过 DNA 甲基化和羟甲基化调节 β 细胞稳态。

基本信息

项目摘要

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT Diabetes has become a major public health crisis, afflicting nearly 30 million people in the United States, and these numbers continue to rise at an alarming rate. Both type 1 and type 2 diabetes result from insulin insufficiency, in large part due to loss of functional beta-cells. Significant research efforts are currently focused on understanding beta-cell failure in diabetes, and developing effective therapeutic approaches to replenishing the beta-cell deficit in diabetes. Despite significant advances in these aspects, challenges remain in development of effective beta-cell therapies, primarily due to gaps in our current understanding of mechanisms that regulate normal beta-cell development, function, and growth. Our recent work has identified DNA methylation as a pivotal epigenetic mechanism that regulates beta-cell identity and function. Moreover, we found that DNA methylation patterns defining functional beta-cell phenotype are disrupted in the diabetic beta-cells, suggesting dynamic nature of DNA methylation. Our preliminary studies indicate that dynamic remodeling of DNA methylation (5- methylcytosine; 5mC) via its conversion to a hydroxylated form (5-hydroxymethylcytosine; 5hmC) is essential for beta-cell differentiation, function, and adaptive response. We hypothesize that stage-specific, appropriate patterning of 5mC and 5hmC is critical for beta-cell homeostasis, and is disrupted in diabetes leading to beta- cell failure. Thus, we seek to determine how enzymatic regulation of the balance between 5mC and 5hmC governs functional beta-cell mass and affects diabetes susceptibility. We will employ mouse genetics, disease models, human islet studies, and state-of-the-art genome wide epigenetic profiling methods to address the following aims: In Specific Aim 1, we aim to establish the requirement of 5mC and 5hmC patterning in differentiation of beta-cells from progenitors. Specific Aim 2 seeks to define the contribution of dynamic remodeling of 5mC and 5hmC patterns in beta-cell replication and adaptive capacity. In Specific Aim 3, we address if and how environmental factors like oxidative stress and metabolite variation can disrupt the beta-cell 5mC 5hmC landscape to drive beta-cell failure, and diabetes. The proposed studies will delineate a novel regulatory module that governs beta-cell development and growth, and establish a fundamental regulatory paradigm that link beta-cell environment, metabolism and epigenome. Our work is likely to have a broad and significant impact by providing novel clues to promote beta- cell differentiation, function, and expansion towards strategies aimed at beta-cell rejuvenation and replacement for diabetes therapy.
项目摘要/摘要 糖尿病已成为主要的公共卫生危机,在美国遭受了近3000万人的困扰,并 这些数字继续以惊人的速度上升。 1型和2型糖尿病是由胰岛素引起的 不足,在很大程度上是由于功能β细胞的损失。目前重点的重大研究工作 了解糖尿病中的β细胞衰竭,并开发有效的治疗方法来补充 糖尿病中的β细胞赤字。尽管这些方面取得了重大进展,但挑战仍在发展中 有效的β细胞疗法,主要是由于我们当前对调节机制的理解的差距 正常的β细胞发育,功能和增长。我们最近的工作已将DNA甲基化确定为关键 调节β细胞身份和功能的表观遗传机制。此外,我们发现DNA甲基化 定义功能性β细胞表型的模式在糖尿病β细胞中被破坏,表明动态 DNA甲基化的性质。我们的初步研究表明,DNA甲基化的动态重塑(5- 甲基胞嘧啶; 5MC)通过其转化为羟基化形式(5-羟基甲基胞嘧啶; 5HMC)对于对 β细胞分化,功能和自适应响应。我们假设那个阶段特定的,适当的 5MC和5HMC的构图对于β细胞稳态至关重要,并且在糖尿病中破坏了β- 细胞衰竭。因此,我们试图确定如何对5MC和5HMC之间平衡的酶促调节 控制功能性β细胞质量并影响糖尿病的敏感性。我们将采用小鼠遗传学,疾病 模型,人类胰岛研究和最先进的基因组广泛的表观遗传分析方法来解决 以下目的:在特定目标1中,我们旨在确定5MC和5HMC图案的要求 β细胞与祖细胞的分化。特定目标2试图定义动态的贡献 在Beta细胞复制和适应能力中重塑5MC和5HMC模式。在特定的目标3中,我们 解决氧化应激和代谢物变化等环境因素是否以及如何破坏β细胞 5MC 5HMC景观以驱动β细胞衰竭和糖尿病。 拟议的研究将描述一个新型的监管模块,该模块控制β细胞的发展和 增长并建立一个基本的监管范式,将β细胞环境,代谢和 表观基因组。我们的工作可能通过提供新的线索来促进β- 细胞分化,功能和扩展针对旨在Beta细胞恢复和替换的策略 用于糖尿病治疗。

项目成果

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